(57)【要約】【課題】  装置（例えば、露光装置）上において、被検光学系の高周波波面成分又は高次収差を高精度に計測することができる測定方法を提供する。【解決手段】  被検光学系の光学特性を計測する計測方法であって、所定の次数以外の回折光を低減する複数のパターンの各々から射出する光を前記被検光学系の瞳面上の異なる位置に導光するステップと、前記被検光学系の像面における前記導光ステップで導光された前記光の結像位置を検出するステップと、前記検出ステップの検出結果に基づいて、前記被検光学系の光学特性を取得するステップとを有し、前記導光ステップは、前記被検光学系の瞳面内動径方向に、前記光を走査するステップを含むことを特徴とする計測方法を提供する。【選択図】          図１
2007066926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検光学系の光学特性を計測する計測方法であって、
所定の次数以外の回折光を低減する複数のパターンの各々から射出する光を前記被検光学系の瞳面上の異なる位置に導光するステップと、
前記被検光学系の像面における前記導光ステップで導光された前記光の結像位置を検出するステップと、
前記検出ステップの検出結果に基づいて、前記被検光学系の光学特性を取得するステップとを有し、
前記導光ステップは、前記被検光学系の瞳面内動径方向に、前記光を走査するステップを含むことを特徴とする計測方法。
【請求項２】
前記取得ステップは、前記被検光学系の８．８Ｈｚ乃至１３６．６Ｈｚに相当する周波数成分の波面収差を取得することを特徴とする請求項１記載の計測方法。
【請求項３】
前記所定の次数は０次であることを特徴とする請求項１記載の計測方法。
【請求項４】
被検光学系の光学特性を計測する計測装置であって、
所定の次数以外の回折光を低減する複数のパターンと、
前記複数のパターンの各々の中心位置及び前記中心位置から所定量ずれた位置に配置可能なピンホールとを有することを特徴とする計測装置。
【請求項５】
被検光学系の光学特性を計測する計測装置であって、
所定の次数以外の回折光を低減する第１及び第２のパターンと、
前記第１のパターンの中心位置に対応する位置に配置される第１のピンホールと、
前記第２のパターンの中心位置から所定量ずれた位置に配置される第２のピンホールとを有することを特徴とする計測装置。
【請求項６】
レチクルのパターンを被処理体に投影する投影光学系を備える露光装置であって、
前記投影光学系の光学特性を計測する計測装置と、
前記計測装置の計測結果に基づいて、前記投影光学系の光学特性を調整する調整手段とを有し、
前記計測装置は、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の計測方法を行うことができる計測モードを有することを特徴とする露光装置。
【請求項７】
レチクルのパターンを被処理体に投影する投影光学系を備える露光装置であって、
前記投影光学系の光学特性を計測する請求項４又は５記載の計測装置と、
前記計測装置の計測結果に基づいて、前記投影光学系の光学特性を調整する調整手段とを有することを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、
露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、計測方法に係り、特に、光学系の光学特性を計測する計測方法に関する。本発明は、例えば、レチクルのパターンを被処理体に投影する投影光学系の波面収差の計測に好適である。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子を製造する際、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によって投影してウェハ等に回路パターンを転写する。
【０００３】
投影露光装置では、レチクル上のパターンを所定の倍率（縮小率）で正確にウェハ上に転写することが要求されている。かかる要求に応えるためには、収差を極限に抑えて結像性能に優れた投影光学系を用いることが重要である。特に、近年の半導体素子の急速な微細化により、投影光学系の製作及び設計の収差に起因するパターンの解像力の低下が大きな問題となっている。換言すれば、微細化したパターンは、光学系の収差に対して敏感になってきている。このため、投影光学系の光学特性（収差）の高精度な測定が要望されている。
【０００４】
投影光学系の収差の測定方法は、現在、様々提案されており、投影光学系の球面収差、像面湾曲、非点収差、コマ収差、波面収差などの各種の収差の測定が、投影光学系の実際の評価や検査に用いられている。これらの収差の中でも波面収差は収差そのものであり、かかる波面収差をＺｅｒｎｉｋｅ多項式で近似することによって、そのファクターである球面収差、像面湾曲、非点収差、コマ収差などの収差を算出することができる。また、これらの収差は、一般的に、低周波な収差であり、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式では４項乃至３６項で示される。これより高周波な収差については、今までさほど問題にされていなかった。
【０００５】
しかしながら、近年の超解像技術の進歩に伴って、限界解像付近での様々な問題が指摘されており、これらの要因の一つに高周波成分の波面が関与していることが分かってきた。典型的な現象として、レチクル上のパターン周辺の開口面積の違いによって、投影露光された像の線幅に差が生じてしまう。かかる現象は、パターン周辺の開口が大きい場合に、光がパターンに回り込むために生じ、フレアーによく似た現象である。フレアーは、迷光と呼ばれ、レンズだけではなくレチクルを含めた露光装置を構成する系の中でレンズを保持する鏡筒やそれらを取り囲む全ての部材からの反射により像に悪影響を与える光である。上述した現象は、レンズの波面だけから説明可能な現象である。かかる収差は、一般には、ローカルフレアーと呼ばれる。ローカルフレアーは、低次な収差では発生せず、より高次な収差、即ち、高周波の波面形状によって発生することが分かっている。
【０００６】
ローカルフレアーを定量化する方法として、ＰＭＩ（Ｐｈａｓｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を利用する方法がある。かかる方法は、ＰＭＩで計測した波面データをＦＦＴ周波数解析し、特定の周波数の範囲の強度をＲＭＳ換算した数値で表す。ＰＭＩは、かなり高次な収差まで計測が可能であるため、高精度にローカルフレアーを計測することができる。また、異なる開口面積を有するパターンを実際にレジストに転写し、パターンの線幅の差でローカルフレアーを表す方法や、Ｋｉｒｋ法などもある。Ｋｉｒｋ法は、所定の面積を有する開口部とその中心に配置した少し大きめのＢＯＸマーク（数μｍ）を、露光量を変えながら複数個のショットを露光する。そして、ＢＯＸマークのレジスト像が消滅する露光量（ショット）と、開口部のレジスト像が消滅する露光量（ショット）との比率でローカルフレアーを表す。
【０００７】
但し、ＰＭＩによるローカルフレアーの計測は、レンズ単体での調整や検査時には可能であるが、レンズを露光装置に搭載した後に計測することができない。なお、露光装置上でＰＭＩによる計測が可能な構成にする場合には、高周波成分の振幅は非常に小さいため位相計測感度を上げる必要があり、更に、干渉縞を画像処理する受光側のＸ−Ｙ方向のピクセル分解能を上げなければならない。従って、露光装置にかなりの負担がかかってしまう。
【０００８】
レジストに転写した像の線幅差を計測する方法は、レジスト性能による線幅差への影響度の違いや、フォーカスや露光量条件により大きく線幅差に影響を与えてしまう。また、パターンの線幅誤差が直接影響するため補正が必要となるが、単にパターンの線幅差を補正するのではなく、近接効果を考慮しなければならない。この場合、プロセスの影響も考慮する必要があり、大変複雑になってくる。これらのことから十分な精度を得られないことが懸念される。同様に、Ｋｉｒｋ法に関しても、プロセスによる影響を受けやすい点や、パターン消滅の判定の曖昧さによって精度を落とす点が懸念される。この２つの方法は、ＰＭＩの計測から求められるような波面形状によるローカルフレアー量と結びつけることが、上述した様々な誤差要因の影響から難しい。
【０００９】
従って、露光装置上でのローカルフレアーを、ＰＭＩと同様に、高周波の波面形状を計測することから算出することが最も望ましい計測方法である（例えば、特許文献１及び２参照。）。かかる計測方法は、パターン面に格子状の格子パターンを、格子パターンの真下に少し距離をおいてピンホールを、パターン面の反対面（レチクルガラス面）の格子パターンの真上に凸レンズを有する特殊なレチクルを用いる。照明光は、凸レンズによってσ＝１以上の照明角度となり、格子パターンを照明する。格子パターンを通過した光は、その下にあるピンホールを通過する。ピンホールを通過できる光は、各々の格子パターンの位置とピンホールを結んだ角度を有する光のみに限定される。換言すれば、各々の格子パターンから射出した光は、全く異なる角度の光となる。これら角度の異なる光は、投影光学系の瞳面上で異なる位置に到達し、投影光学系の波面収差の影響を受けてウェハ面上に結像する。この時、結像した転写パターン像の各々は、異なる波面収差（位相）の影響を受けている。即ち、光線は波面の接線方向に進むため、結像した転写パターンの各々は、波面の傾き分だけシフトすることになる。従って、結像した転写パターン像の理想格子からのずれを計測することで投影光学系の瞳面内の波面の傾きを取得し、様々な数学的手法を介して波面収差を算出することができる。
【００１０】
また、斜入射照明法を用いた計測方法も考えられる（例えば、特許文献３参照。）。かかる計測方法は、異なる主光線の傾斜角又は入射方向の照明光でレチクル上のパターンをそれぞれ照明する。異なる角度及び方向で照明されたパターンの主光線は、投影光学系の瞳面上で異なる位置に到達し、特許文献１及び２と同様に、パターンの位置ずれを照明角度及び方向毎に計測することによって、波面を求めることができる。これらの方法は、波面のスロープを検出することで、波面収差を算出している。これにより、直接位相を計測するＰＭＩに比べて、高周波になればなるほど小さな位相差でもスロープを検出しやすいため、高次収差に対する感度が高くなるというメリットがある。
【００１１】
更に、９０度の位相差を施した繰り返しパターンを有し、かかる繰り返しパターンをある範囲内でピッチ寸法を振ったレチクルを使用する方法も提案されている。かかる方法は、０次光と１次光の２光束干渉で結像させ、像のピッチ寸法毎の位置ずれから位相差を求め、直接波面を算出する。
【特許文献１】米国特許第５，８２８，４５５号公報
【特許文献２】米国特許第５，９７８，０８５号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述の３つの波面収差計測方法は、近年計測が必要とされる高次収差を高精度に計測することができなくなってきた。具体的には、何れの方法もレチクル上のパターンを結像させ、かかるパターンの位置ずれから波面形状を求めている。これらの方法では、瞳面上のある瞳座標位置における波面を計測するための１つの位置ずれ計測用マークがある大きさを有する。かかる大きさは、投影光学系のＮＡによるが、瞳面換算ＮＡ＝０．８５で瞳直径の１／２０程度である。これは、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の３６項程度の低次収差を計測するには精度上問題ないレベルであるが、ＰＭＩなみに高次収差を計測するためには、分解能を上げる必要がある。また、１つの位置ずれ計測用マークの計測感度も上げる必要がある。計測感度は、１つの位置ずれ計測用マークから回折した光が瞳面を通過する際のビームの大きさに相当する。従って、ビームの径を小さくする必要がある。
【００１３】
そこで、本発明は、装置（例えば、露光装置）上において、被検光学系の高周波波面成分又は高次収差を高精度に計測することができる測定方法を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測方法は、被検光学系の光学特性を計測する計測方法であって、所定の次数以外の回折光を低減する複数のパターンの各々から射出する光を前記被検光学系の瞳面上の異なる位置に導光するステップと、前記被検光学系の像面における前記導光ステップで導光された前記光の結像位置を検出するステップと、前記検出ステップの検出結果に基づいて、前記被検光学系の光学特性を取得するステップとを有し、前記導光ステップは、前記被検光学系の瞳面内動径方向に、前記光を走査するステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明の別の側面としての計測装置は、被検光学系の光学特性を計測する計測装置であって、所定の次数以外の回折光を低減する複数のパターンと、前記複数のパターンの各々の中心位置及び前記中心位置から所定量ずれた位置に配置可能なピンホールとを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の更に別の側面としての計測装置は、被検光学系の光学特性を計測する計測装置であって、所定の次数以外の回折光を低減する第１及び第２のパターンと、前記第１のパターンの中心位置に対応する位置に配置される第１のピンホールと、前記第２のパターンの中心位置から所定量ずれた位置に配置される第２のピンホールとを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の更に別の側面としての露光装置は、レチクルのパターンを被処理体に投影する投影光学系を備える露光装置であって、前記投影光学系の光学特性を計測する計測装置と、前記計測装置の計測結果に基づいて、前記投影光学系の光学特性を調整する調整手段とを有し、前記計測装置は、上述の計測方法を行うことができる計測モードを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の更に別の側面としての露光装置は、レチクルのパターンを被処理体に投影する投影光学系を備える露光装置であって、前記投影光学系の光学特性を計測する上述の計測装置と、前記計測装置の計測結果に基づいて、前記投影光学系の光学特性を調整する調整手段とを有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の更に別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、装置（例えば、露光装置）上において、被検光学系の高周波波面成分又は高次収差を高精度に計測することができる計測方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の計測方法の原理を説明するための図である。
【００２３】
本発明の計測方法は、被検光学系ＯＳの光学特性、特に、被検光学系ＯＳの高周波波面成分又は高次収差を計測することを可能にする。具体的には、本発明の計測方法は、実質的に１次回折光を生じさせず０次（回折）光のみでパターンの結像を行えるような格子パターンＴＰを有する特殊なテストレチクルＴＲを用いる。また、テストレチクルＴＲは、格子パターンＴＰの中心の真上にピンホールＰＨを有する。本発明の計測方法は、本出願人が特許文献３に提案する斜入射照明法で、テストレチクルＴＲを照明する。これにより、格子パターンＴＰは、ピンホールＰＨからの光束によって、互いに異なる方向から照明され、格子パターンＴＰからの０次光は、検光学系ＯＳを介して感光基板Ｗ上に結像される。従って、かかる結像位置を検出することで、被検光学系ＯＳの光学特性を計測することができる。
【００２４】
本実施形態は、被検光学系ＯＳとして露光装置の投影光学系を想定している。露光装置は、通常、レチクルの回路パターンを投影光学系を介してウェハに投影するが、図１では、露光装置がテストレチクルＴＲを搭載した状態を示している。なお、回路パターンに加えて、波面収差等の光学特性を計測するためのパターン（即ち、格子パターンＴＰ等）を形成したレチクルもテストレチクルＴＲとして使用することができる。
【００２５】
図１において、テストレチクルＴＲは、ガラス基板で構成され、被検光学系ＯＳ側のパターン面に形成された複数の格子パターン（マーク群）ＴＰと、パターン面の反対側の面に形成されたピンホールＰＨとを有する。ピンホールＰＨは、例えば、遮光膜で形成される。本実施形態では、格子パターンＴＰ及びピンホールＰＨを同一のガラス基板の表裏面に形成している。但し、格子パターンＴＰとピンホールＰＨを別々のガラス基板に形成し、２つのガラス基板を互いに近接させて配置してもよい。
【００２６】
照明光学系の開口絞りＡＰを通過した照明光は、複数の主光線ＬＰを含み、σ＞１又はσ＝１に相当するＮＡ（角度の広がり）でピンホールＰＨを照明する。ピンホールＰＨを通過した各主光線ＬＰ’は、テストレチクルＴＲのパターン面に形成された格子パターンＴＰを照明する。格子パターンＴＰの各パターンからの０次（回折）光は、被検光学系ＯＳを介して、像面（感光基板Ｗ）に結像する。像面における空中像を光電変換素子で受光して光電変換したり、像面に感光基板Ｗを配置して各パターン像を転写及び現像したりすることによって、転写パターン像ＴＩを形成する。像面上の空中像又は転写パターン像ＴＩの位置（基準位置からのずれ）を図示しない位置測定装置によって測定する。かかる測定結果を用いて演算することで、被検光学系ＯＳとしての投影光学系の波面収差（本実施形態では、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式）を計測することができる。
【００２７】
格子パターンＴＰには、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すパターン（回折格子マーク）を使用する。格子パターンＴＰは、ライン間（スペース間）のピッチ（間隔）が略等しい周期パターンＴＰｂであり、且つ、光が透過する個々のスペース幅が周期パターンの中心ライン又は中心スペースのパターンから外側のパターンに向かって減少する。格子パターンＴＰは、高次回折光を低減させることによって、実質的に１次回折光が生じず、０次（回折）光のみが生じるように、ラインとスペースの幅やピッチが設定されている。また、格子パターンＴＰを被検光学系ＯＳを介して結像したときのパターン像の強度分布が、その内部のライン間が解像せず、且つ、歪の少ない分布となるように、ラインとスペースの幅やピッチを設定する。これにより、少なくとも像面で格子パターンＴＰを１つのラインとみなすことができる。ここで、図２は、格子パターンＴＰの具体的な例である周期パターンＴＰｂを示す概略平面図である。
【００２８】
以下、本発明の計測方法を適用した露光装置１について説明する。図３は、露光装置１の構成を示す概略断面図である。なお、露光装置１は、図３では、レチクルステージ１２０にテストレチクルＴＲを載置しているが、被処理体１３０を露光する際には回路パターンが形成された図示しないレチクルをレチクルステージ１２０に載置する。
【００２９】
露光装置１は、例えば、ステップアンドリピート方式又はステップアンドスキャン方式で図示しないレチクルに形成された回路パターンを被処理体１４０に露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィ工程に好適であり、以下、本実施形態ではステップアンドスキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる）を例に説明する。
【００３０】
露光用の光源部である超高圧水銀灯１１１から射出された露光光は、楕円ミラー１１１ａで集光される。楕円ミラー１１１ａで集光された露光光は、インプットレンズ１１２を介して、ハエの目レンズ１１３の入射面１１３ａに入射する。
【００３１】
ハエの目レンズ１１３の後段（テストレチクルＴＲ）側の焦点面１１３ｂには、２次光源が形成される。２次光源から射出された露光光は、開口絞り１１４、第１のリレーレンズ１１５、投影式レチクルブラインド１１６、第２のリレーレンズ１１７、メインコンデンサーレンズ１１８を介して、テストレチクルＴＲを均一な照度で照明する。開口絞り１１４の開口径及び開口形状は、変更手段によって、変更することができる。
【００３２】
投影式レチクルブラインド１１６の開口とテストレチクルＴＲのパターン面とは光学的に共役の関係にある。従って、投影式レチクルブラインド１１６の開口によって、テストレチクルＴＲ上の照明領域が設定される。
また、ハエの目レンズ１１３の焦点面１１３ｂは、被検光学系としての投影光学系１３０の瞳面１３０ａと略共役であり、２次光源の像が瞳面１３０ａに形成される。
【００３３】
テストレチクルＴＲは、レチクルステージ１２０に載置される。レチクルステージ１２０がＸＹ面内を移動することによって、テストレチクルＴＲの位置を変えることができる。
【００３４】
テストレチクルＴＲの上面（パターン面の反対側の面）には、ピンホールＰＨを有する遮光膜が形成されている。照明光学系又は後述するアライメントスコープ１７０によってテストレチクルＴＲのピンホールＰＨを照明すると、ピンホールＰＨを通過した光束が、テストレチクルＴＲの格子パターンＴＰをσ≧１の条件で照明する。照明されたテストパターンＴＰの各パターン（回折格子マーク）は、投影光学系１３０を介して、ウェハステージ１６０に載置された被処理体１４０や検出系１５０上に結像する。
【００３５】
被処理体１４０は、本実施形態ではウェハであるが、液晶基板その他の被処理体を広く含む。被処理体１４０には、フォトレジストが塗布されている。
【００３６】
検出系１５０は、格子パターンＴＰの空中像を検出する。図４は、検出系１５０の構成を示す拡大断面図である。検出系１５０は、スリット１５２ａが形成されたプレート１５２と、受光部１５４とから構成される。検出系１５０は、通常は、プレート１５２の上面が像面に一致するように配置される。スリット１５２ａを通過した光は、受光部１５４によって光電変換される。このとき、ウェハステージ１６０を介して検出系１５０を像面に沿って走査することで、格子パターンＴＰの像を、例えば、図５に示すような電気信号に変換し、格子パターンＴＰの像（の位置）を検出する。図５は、検出系１５０が検出する電気信号の一例を示すグラフである。
【００３７】
ウェハステージ１６０は、本実施形態では、ＸＹステージ１６２と、Ｚステージ１６４とを有する。ＸＹステージ１６２は、投影光学系１３０の光軸１３０ｂに垂直なＸＹ平面内の任意の位置に被処理体１４０や検出系１５０を位置決めする。Ｚステージ１６４は、投影光学系１３０の光軸１３０ｂに平行な方向（高さ方向）の被処理体１４０や検出系１５０の位置を設定する。
【００３８】
アライメントスコープ１７０は、テストレチクルＴＲ上のマークと露光装置１の本体内に設けられている図示しないレチクル基準マークとを検出する。換言すれば、アライメントスコープ１７０は、レチクル基準マークに対するテストレチクルＴＲの位置すれを検出する。かかる検出結果（位置ずれ）に基づいてレチクルステージ１２０を駆動することで、テストレチクルＴＲを投影光学系１３０に対して位置合わせすることができる。
【００３９】
アライメントスコープ１７０は、テストレチクルＴＲ上のあらゆる位置（任意のＸＹ位置）に移動可能に構成される。これにより、波面収差を計測する場合に、テストレチクルＴＲ上の任意の格子パターン（計測用パターン）ＴＰを露光光で照明することができる。なお、照明光学系も、投影式レチクルブラインド１１６の開口を介して、テストレチクルＴＲ上の任意の格子パターンＴＰを露光光で照明することができる。
【００４０】
オートフォーカス系１８０は、被処理体１４０や検出系１５０（のプレート１５２）の光軸方向の位置を検出する。オートフォーカス系１８０は、本実施形態では、送光系１８２と、受光系１８４とから構成される。送光系１８２は、検出系１５０のプレート１５２に、例えば、スリット状の検出パターンの像を、投影光学系１３０の光軸１３０ｂに対して斜めに投影する。受光系１８４は、被処理体１４０の上面やプレート１５２の表面からの反射光を受光して検出パターンの像を再結像し、その位置を検出する。
【００４１】
高さ方向に関して、被処理体１４０や検出系１５０（プレート１５２）の投影光学系１３０の像面に対する位置が変化すると、受光系１８４で再結像される検出パターンの像の位置が変化する。従って、検出パターンの像の位置を検出することによって、被処理体１４０や検出系１５０の高さの変化を検出することができる。
【００４２】
受光系１８４は、再結像された検出パターンの像の位置に応じて変化するフォーカス信号を生成する光電検出手段１８６と、制御系１８８とを有する。制御系１８８は、フォーカス信号が所定のレベルに維持されるように、ウェハステージ１６０のＺステージ１６４を駆動する。これにより、被処理体１４０の上面や検出系１５０（プレート１５２）の表面を投影光学系１３０の像面に一致させることができ、その状態を維持することもできる。更に、フォーカス信号は、（光軸方向の）所定の範囲内において、検出系１５０（プレート１５２）の高さ方向の位置変化に対してほぼ直線的に変化する。従って、オートフォーカス系１８０及びウェハステージ１６０を用いることにより、被処理体１４０の上面や検出系１５０（プレート１５２）の表面を投影光学系１３０の像面とは異なる位置に設定することもできる。
【００４３】
ウェハアライメント系２１０は、オフアクシスのアライメント系であり、被処理体１４０の各ショット領域の近傍に形成されたアライメントマークを検出する。この場合、ウェハアライメント系２１０の光軸２１０ａと投影光学系１３０の光軸１３０ａとの間隔、所謂、ベースライン量ＢＬを求めておく。これにより、ウェハアライメント系２１０で測定した幾つかのアライメントマークの位置に基づいて、被処理体１４０の各ショット領域の回路パターン（像）に対するアライメントを正確に行うことができる。
【００４４】
図６は、テストレチクルＴＲの格子パターンＴＰの詳細を示す概略平面図である。図６において、ＴＰＭは、使用する格子パターンＴＰのマークである。
マークＴＰＭは、投影光学系１３０の１つの像高とみなせる範囲に、図２（ａ）又は（ｂ）に示す高次回折光が実質的に生じない形状を有する周期パターンＴＰｂをＸ方向に複数配列させた形態である。また、マークＴＰＭは、周期パターンＴＰｂを９０度回転させた周期パターンＴＰｂ’をＹ方向に複数配列させたものを備えた形態であってもよい。換言すれば、本実施形態は、投影光学系１３０の瞳面１３０ａ内を動径方向に走査することで、高次周波成分を抽出しようとしている。従って、０度、９０度以外の方向でもマークＴＰＭを所定量回転させることで、高次周波成分が計測可能となる。本実施形態では、Ｘ方向にのみ周期パターンＴＰｂを有するマークＴＰＭについて説明する。
【００４５】
図６を参照するに、マークＴＰＭの格子を形成するラインは、いずれも４μｍ程度の同一の線幅でデザインされている。マークＴＰＭのライン幅には、特に制限はないが、ライン幅と瞳面１３０ａ上でのスペクトル幅又は瞳面１３０ａを通過するビーム径との間には相関があることが光学シミュレーションから分かっている。図７は、マークＴＰＭのライン幅と瞳面１３０ａを通過するビーム径との関係を示すグラフである。図７では、縦軸にビーム径を、横軸にライン幅を採用している。ここで、ライン幅とは、図２に示す周期パターンＴＰｂの長さを示している。ライン幅を大きくすることによって、投影光学系１３０の瞳面１３０ａを通過するビームのＸ方向の径を小さくすることができる。Ｘ方向のビーム径を小さくすることで、より高周波な波面をＸ方向について計測することができる。また、マークＴＰＭの長手方向の長さは、１つの像高とみなせる大きさがあればよく、検出側でどのくらいの長さ分を平均して計測するかを適宜決めればよい。本実施形態では、２０ｕｍとしている。
【００４６】
本実施形態のテストレチクルＴＲには、図６に示すマークＴＰＭがガラス基板の下面の複数箇所（投影光学系１３０の複数の像高に対応）に形成されている。また、ガラス基板の上面の各マークＴＰＭの中心に対応する位置の各々にピンホールＰＨを有する遮光膜が形成されている。マークＴＰＭの照明には、照明光学系又はアライメントスコープ１７０を用いる。但し、これらが照明光をσ＝１．０未満の状態でしか供給できない場合、マークＴＰＭをσ≧１．０の条件で照明するために、図８に示すような、ピンホールＰＨ上に散乱板（拡散板）ＤＢを配置したテストレチクルＴＲＡを用いる。散乱板ＤＢは、照明光を散乱してσ≧１．０の条件を形成する。従って、投影光学系１３０の光学特性の計測に必要な全てのマークＴＰＭを、互いに異なる方向から照明することができる。ここで、図８は、テストレチクルＴＲの変形例であるテストレチクルＴＲＡの構成を示す概略断面図である。
【００４７】
例えば、図８に示すテストレチクルＴＲＡを露光光で照明し、１つの像高に体操するマークＴＰＭの各周期パターンＴＰｂを、投影光学系１３０を介してウェハステージ１６０上の検出系１５０に結像させる。このとき、プレート１５２のスリット１５２ａがパターン像に対して像面に沿って走査されるように、ウェハステージ１６０をＸ方向に駆動し、受光部１５４の出力変化としてパターン像の光強度（光量）分布を検出する。算出装置１９０は、受光部１５４が検出した光強度分布に基づいて、周期パターンＴＰｂの中心位置を算出する。この際、スリット１５２ａの幅は、図６に示すように、格子パターンＴＰのグリッドの空中像のピッチ以下の長さ及び幅を有し、計測したい周期パターンＴＰｂの像以外の像からの光がスリット１５２ａに入射しない幅に設定する。また、像高の位置は、マークＴＰＭの中心位置に固定する。算出装置１９０は、１つの像高における各パターン像の中心位置及び各パターンを結像した光束の投影光学系１３０の瞳面１３０ａ内の座標から、瞳面１３０ａ内中心を通りＸ方向に走査させてサンプリングした微分波面を取得する。かかる微分波面の一例を図９に示す。図９では、縦軸にパターン像の位置ずれを、横軸に投影光学系１３０の瞳面１３０ａ位置を採用している。
【００４８】
次に、図９に示す微分波面をＦＦＴ解析することで、投影光学系１３０の高次収差成分の（Ｚｒｎｉｋｅ多項式の３６項よりも高次の成分）ＲＭＳ（ローカルフレアー）を算出することができる。なお、投影光学系１３０の高次収差成分は、周波数に換算すると、８．８Ｈｚ乃至１３６．６Ｈｚの波面に相当する。また、図９に示す微分波面を一度積分し、位相波面に再生した後、ＦＦＴ解析することでもローカルフレアーを算出することができる。例えば、図１０に示す投影光学系１３０の波面データを解析した結果を図１１に示す。図１１（ａ）は、投影光学系１３０の波面におけるＸ方向の位置ずれを計測した微分波面を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す微分波面を積分した位相波面を示している。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）に示す位相波面のＦＦＴ解析の結果を示しており、周波数毎のＲＭＳの値を示している。図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）に示す周波数毎のＲＭＳの値を累積した結果を示している。図１１（ｄ）を参照するに、ＲＭＳがある値で収束することが分かる。但し、実際にローカルフレアーのみの成分を示すには、例えば、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の３６構文の波面収差を周波数５までのＲＭＳとみなし、周波数０乃至５までのＲＭＳの値の加算分を収束値から差し引くことが必要である。
【００４９】
なお、高精度に高周波成分を計測するために、投影光学系１３０の瞳面１３０ａ上のサンプリング数を増やすことが考えられる。そこで、図１２に示すように、ピンホールＰＨの中心とマークＴＰＭの中心位置とをわざと所定量ずらす。図１２に示すテストレチクルＴＲは、ずれのないマーク群ＴＭＰａと、所定量ずらしたマーク群ＴＭＰａ及びＴＭＰｂとを有する。ずれのないマーク群ＴＭＰａと所定量ずらしたマーク群ＴＭＰａ及びＴＭＰｂとでは、瞳面１３０ａでの通過する光線の位置が所定量ずらした分に比例する。従って、マーク群ＴＭＰｂ及びＴＭＰｃのスペクトルがマーク群ＴＭＰａのスペクトルに対して全体的にシフトする。ピンホールＰＨの中心とマークＴＰＭの中心位置とのずれ量（即ち、所定量）を考慮することで、図９（ｂ）に示すように、適正な間隔でサンプリング数を増やすことができる。これにより、同様にＦＦＴ解析をするこで、投影光学系１３０の波面の高次収差成分（Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の３６項よりも高次の成分）のＲＭＳ（ローカルフレアー）をより高感度に計測することができる。ここで、図１２は、ピンホールＰＨの中心とマークＴＰＭの中心位置を所定量ずらしたテストレチクルＴＲを示す概略平面図である。
【００５０】
本実施形態では、投影光学系１３０の瞳面１３０ａ内のＸ方向又はＹ方向、或いは、任意の角度方向の１次元でのＦＦＴ解析からＲＭＳ（ローカルフレアー）を計測している。なお、より精度をあげるためには、例えば、瞳面１３０ａ内全域に亘って、上述した位置ずれ計測を行い、２次元でのＦＦＴ解析からＲＭＳ（ローカルフレアー）を計測するとよい。この場合、マークＴＰＭの長手方向は、２０ｕｍでは短く、瞳面１３０ａ内全域をカバーできる十分な長さに変更する必要がある。更に、マークＴＰＭの長手方向に対して場所を変えながら局所的に位置ずれを計測するため、スリット１５２ａの長手方向の長さも計測する間隔に応じて調整が必要である。
【００５１】
これまでは、格子パターンＴＰの像の位置を、ウェハステージ１６０に固定した検出系１５０（光電変換手段）を用いて検出していた。以下では、格子パターンＴＰの像を被処理体１４０（感光基板）に転写及び現像した後で、図示しない位置測定装置によって転写した格子パターンＴＰの像の位置を検出することについて説明する。
【００５２】
この場合、図６に示したマークＴＰＭ（格子パターンＴＰ）に加えて、図１３に示すように、基準パターン（テストパターン）ＳＰも有するテストレチクルＴＲＢを使用する。図１３を参照するに、テストレチクルＴＲＢは、ガラス基板の上面及び下面に、ピンホールＰＨを有する遮光膜及びマークＴＰＭ及び基準パターンＳＰを有する。ここで、図１３は、テストレチクルＴＲＢの構成を示す概略断面図である。
【００５３】
基準パターンＳＰは、図１４に示すように、ラインマークＳＰａで構成される。ラインマークＳＰａは、格子パターンＴＰの周期パターンＴＰｂの相対位置のずれ量を測定するための複数のマークを一列に配置した基準マーク群である。図１３を参照するに、基準パターンＳＰの上部には、ピンホールＰＨを有する遮光膜などの光束を制限する手段はなく、照明光学系又はアライメントスコープ１７０からの光束は全て均等に基準パターンＳＰを照明する。従って、ラインマークＳＰａは、同一波面の影響を受けるため、相対的な位置ずれのない基準マークとなり得る。ここで、図１４は、基準パターンＳＰの一例を示す概略平面図である。
【００５４】
まず、マークＴＰＭ（格子パターンＴＰ）に対して最適な照明条件で、テストパターンであるマークＴＰＭ及び基準パターンＳＰを照明し、各マーク像を被処理体１４０に露光する。次に、露光されたマークＴＰＭ及び基準パターンＳＰと、次に露光する基準パターンＳＰ及びマークＴＰＭとが重なり合うようにレチクルステージ１２０又はウェハステージ１６０を駆動する。そして、通常の照明条件で基準パターンＳＰ及びマークＴＰＭを被処理体１４０に露光する。被処理体１４０を現像した後、図１５に示すように、マークＴＰＭ（周期パターンＴＰａ）の転写パターン像と基準パターンＳＰ（ラインマークＳＰａ）との相対位置ずれ量を測定する。図１５は、マークＴＰＭ（格子パターンＴＰ）及び基準パターンＳＰが重なり合うように転写された被処理体１４０の概略平面図である。
【００５５】
このようにして測定された相対位置ずれ量（即ち、周期パターンＴＰａの転写像の中心位置）に対して、上述したＦＦＴ解析を行う。これにより、投影光学系１３０の波面の高次収差成分（Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の３６項よりも高次の成分）のＲＭＳ（ローカルフレアー）を算出することができる。本実施形態においても、基準パターンＳＰの長手方向の場所を変えながら、局所的に基準パターンＳＰとマークＴＰＭとの位置ずれを測定することで、投影光学系１３０の瞳面１３０ａの全域の光学特性を計測することが可能となる。更に、２次元ＦＦＴ解析を行うことで、より高精度にＲＭＳ（ローカルフレアー）を計測することができる。
【００５６】
以上、説明したように、本発明の計測方法によれば、露光装置１の投影光学系１３０の光学特性（波面収差）、特に、高次収差（波面）を高精度に計測することができる。かかる高次波面の計測結果を露光装置１の収差調整機構にフィードバックすることによって、予め記憶されている各種デバイスパターンのフレアーによる特性データに基づいて、各種デバイスパターンの微調整を行うことができる。例えば、ＣＤの変化は、露光制御で補正する。また、ＯＰＥ（近接効果）特性の変化は、照明光学系のレンズ駆動による有効光源形状の補正や投影光学系のレンズ駆動やレンズ開口を駆動させることで調整する。更には、フォーカス位置をずらすことや、レチクルを上下方向に駆動したりすることでも調整が可能である。また、投影光学系１３０のレンズとレンズの間の空間の圧力を変化させることでも投影光学系１３０の収差を調整することができる。このような収差調整機構は、図３に示すように、投影光学系１３０を構成するレンズ１３２を駆動するレンズ駆動手段２２０などで具現化される。また、照明光学系のレンズを駆動する駆動手段や、超高圧水銀灯１１１などの光源部の波長を変更するレーザ波長可変手段も収差調整機構を構成する。
【００５７】
露光において、超高圧水銀１１１から発せられた光束は、インプットレンズ１１２乃至メインコンデンサー１１８で構成される照明光学系により図示しないレチクルを、例えば、ケーラー照明する。レチクルを通過して回路パターンを反映する光は、投影光学系１３０により被処理体１４０上に結像される。露光装置１が使用する投影光学系１３０は、上述したように、高次の波面収差を高精度に計測され、かかる計測結果に基づいて最適に補正されている。従って、露光装置１は、高いスループットで経済性よくデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。
【００５８】
次に、図１６及び図１７を参照して、上述の露光装置１を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図１６は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル製作）では、設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、レチクルとウェハを用いて本発明のリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００５９】
図１７は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、上述の露光装置１によってレチクルの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。かかるデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置１を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。
【００６０】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明の計測方法は、特許文献１及び特許文献２に記載の波面収差計測方法にも適用可能である。また、本発明の計測方法は、被検光学系の種類に依存することなく、様々な形式の光学系の光学特性（波面収差）を計測することができる。例えば、レンズ等の屈折光学素子のみで構成された光学系、凹面ミラーと複数のレンズから構成される光学系、凹面ミラー及び凸面ミラーを有する全て、或いは、大部分がミラーから構成される光学系の光学特性（波面収差）を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一側面としての計測方法の原理を説明するための図である。
【図２】図１に示す格子パターンの具体的な例である周期パターンを示す概略平面図である。
【図３】本発明の計測方法を適用した露光装置の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３に示す検出系の構成を示す拡大断面図である。
【図５】図４に示す検出系が検出する電気信号の一例を示すグラフである。
【図６】図３に示すテストレチクルの格子パターンの詳細を示す概略平面図である。
【図７】図６に示すマークのライン幅と瞳面を通過するビーム径との関係を示すグラフである。
【図８】図１に示すテストレチクルの変形例であるテストレチクルの構成を示す概略断面図である。
【図９】投影光学系の瞳面内における微分波面の一例を示す図である。
【図１０】本実施形態のシミュレーションに用いた投影光学系の波面データを示すグラフである。
【図１１】図１０に示す微分波面を解析した結果を示すグラフである。
【図１２】ピンホールの中心とマークの中心位置を所定量ずらしたテストレチクルを示す概略平面図である。
【図１３】テストレチクルの構成を示す概略断面図である。
【図１４】図６に示す格子パターンに加える基準パターンの一例を示す概略平面図である。
【図１５】格子パターン及び基準パターンが重なり合うように転写された被処理体の概略平面図である。
【図１６】デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。
【図１７】図１６に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１                  露光装置
１２０              レチクルステージ
１３０              投影光学系
１３０ａ            瞳面
１４０              被処理体
１５０              検出系
１５２              プレート
１５２ａ            スリット
１５４              受光部
１６０              ウェハステージ
ＴＲ                テストレチクル
ＴＰ                格子パターン
ＴＰｂ              周期パターン
ＴＰＭ              マーク
ＰＨ                ピンホール
ＳＰ                基準パターン
ＳＰａ              ラインマーク
ＴＲＡ及びＴＲＢ    テストレチクル
ＯＳ                被検光学系
【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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